박막증착 공정 방식으로 만든 최고 효율의 페로브스카이트 태양전지가 나왔다. 이 방식은 전지를 대량생산하는 데 유리한 방식이어서 페로브스카이트 태양전지 상용화의 기대감을 높이고 있다.
박혜성 신소재공학과 교수팀은 고효율· 장수명 페로브스카이트 태양전지를 진공 박막증착 공정으로 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 진공 박막증착은 원료 물질을 진공 상태서 증발시켜 기판에 얇게 입히는 방식으로 이미 대형 OLED TV 제조 등에서 널리 쓰이고 있는 기술이다.
이번에 개발된 페로브스카이트 태양전지는 태양광-전기 변환 효율이 21.4%를 기록했는데, 이는 진공 박막증착 공정으로 제조한 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준이다. 또 전지 전체를 보호물질로 감싸는 봉지막(encapsulation) 공정 없이도 60~70% 습도에서 1,000시간 전지를 작동시켰을 때 초기 효율의 60% 이상을 유지하는 등 뛰어난 내구성을 보였다.
보호피막을 적용한 페로브스카이트 태양전지 구조.
제1저자인 최윤성 연구원은 “페로브카이트 물질 위에 증착된 보호 피막 덕분”이라며 “이 보호 피막은 수분, 열 자극 보호 효과가 탁월하면서도 기존 보호 피막과 달리 전지 효율을 떨어뜨리지 않는다”라고 설명했다.
페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질 바로 위에 얇은 막(passivation layer)을 형성시켜 수분과 열에 약한 페로브스카이트를 보호한다. 하지만 기존에 보호 기능이 뛰어난 것으로 알려진 ‘루델스덴-포퍼’ 구조 피막은 내부 입자 배열이 불규칙해 전기를 만드는 효율을 떨어뜨렸다. 무질서한 입자 배열 때문에 전하 입자(전자)가 전극까지 제대로 흘러 들어가지 못한 것.
연구팀은 내부 원자의 정렬 방향을 맞춘 보호 피막을 합성해 이 같은 문제를 해결했다. 증착 과정에서 박막 형성 속도와 같은 공정 변수를 조절하는 기술을 썼다. 이 보호 피막을 입힌 페로브카이트 태양전지는 수분뿐만 아니라 열 내구성 실험에서도 우수한 성능을 보였다.
이번 연구에서 합성한 보호피막의 구조(우단)와 기존 보호피막 또는 피막의 없는 경우 비교
박혜성 교수는 “박막 증착은 페로브스카이트 태양전지를 상용화 가능한 큰 크기로 제작하는 데 매우 유리한 제조방식”이라며 “이 방식으로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율이 20%를 넘어섰다는 점에서 무척 고무적”이라고 설명했다.
박 교수는 이어 “이번 연구에서 개발한 진공증착 기반의 보호 피막 기술은 페로브스카이트 태양전지뿐만 아니라 탠덤 태양전지(실리콘 전지와 페로브스카이트 전지를 결합한 전지), 페로브스카이트 기반 발광다이오드, 광센서 등에도 응용할 수 있을 것”이라고 기대했다.
연구 결과는 에너지 분야의 저명한 국제 학술지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science, 피인용지수: 39.714)’에 6월 21일 자로 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다. 이번 연구는 한국연구재단, 한국에너지기술평가원, 한국과학기술연구원의 지원을 받아 수행됐다.
